Megújuló energiák lehetőségei az energiaellátásban II.
2004/12. lapszám | netadmin | 3260 |
Figylem! Ez a cikk 21 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az energiát az elsődleges/primer (fosszilis/hagyományos - szén, kőolaj, földgáz -, nukleáris és megújuló) energiahordozók és az ezekből különböző technológiákkal nyert másodlagos energiafajták (villamos energia, benzin, dízel, biodízel, bioalkohol,...
Az energiát az elsődleges/primer (fosszilis/hagyományos - szén, kőolaj, földgáz -, nukleáris és megújuló) energiahordozók és az ezekből különböző technológiákkal nyert másodlagos energiafajták (villamos energia, benzin, dízel, biodízel, bioalkohol, biogáz, hidrogén) felhasználásával nyerjük. Magának az energiának a továbbítása (transzportja) is energiát igényel: esetenkénti gazdaságossági vizsgálat tárgya, hogy mikor érdemes energiát szállítani és mikor helyben (decentralizáltan, autonóm rendszerekben) előállítani. Tanulmányunk elsősorban a villamosenergia-ellátással foglalkozik, így a nem megkerülhető kérdéssel, a megújuló energiák háztartási hőtermelésre (fűtésre, melegvíz-készítésre) való hasznosításával, a napkollektorokkal és a hőszivattyúkkal e helyütt nem foglalkozunk.
Szélenergia
A világ globális szélenergia-potenciáljának elméleti felső határa 200 m magasságig 1000 EJ/a. A ténylegesen figyelembe vehető szélsebességek 5-10 m/s közé, a szélerőművek számára szóba jöhető területek a szárazföldre és egy 20-30 km széles tengerparti vízsávra korlátozódnak: ezzel a világ szélenergia-potenciáljának reális felső határa 100 EJ/a-nek adódik - ha az egész potenciált ki is használnánk.
Hogy ezt ki is használjuk, 1000 kWn névleges teljesítményű szélerőműből több mint 3 millió szélturbinát kellene világviszonylatban elhelyezni, jelen értéken 3 x 1012 dollár beruházási értékkel. Ezzel 3 x 106 x 200 kWe = 6 x 1011 We = 600 GWe elektromos termelő teljesítményt nyernénk, amivel 600 x 8760 GWeh/a = 5,25 x 106 GWeh/a elektromos energiát termelnénk. (A szélerőmű névleges teljesítményének kb. 20-25%-a az elektromos teljesítmény 5250 TWh/a = 3,6 x 103 x 5250 = 18,9 x 106 TJ/a ? 19 EJ/a, ami a világ 2000 évi villamos energia fogyasztásának kb. 30%-át adná.)
A szélerőművek jelen értéken vett beruházási költsége 5 x 106 dollár/MWe; ez MWn névleges teljesítményre 1,25 x 106 dollár. Ez azt jelenti, hogy egy 400 MWe-es erőmű 2 x 109 dollárba kerül. Érdekes e témát más oldalról is megközelíteni. Világviszonylatban a becslések szerint (ld. 2. táblázatot) 2050-ig 15 000 darab 400 MWe-os, különböző típusú villamos erőművet kell építeni, tehát átlagban hetente hatot! Ha ezt szélerőművekkel akarnánk megoldani, akkor hetente (!) 6 x 1600 = 9600 (egyenként 1 MWn névleges teljesítményű) szélturbinát kell felállítani és elhelyezni 9600 x 126 x 103 = 1,20 x 109 m2-en, azaz 1200 km2-en (pl. 35 ? 35 km területen) mintegy 9600 x 5 x 106 $ - 4,8 x 1010 dollár beruházási költség befektetésével. (Egy 1 MWn névleges teljesítményű szélturbina helyigénye (D = 50 m átmérőjű rotorral) 126 x 103 m2 = 0,126 km2, azaz kb. 126 m2/kWn. A szélturbinákat (hogy ne zavarják egymást) átlagosan ~ 4D távolságra kell elhelyezni.)
A hazai felhasználható szélenergia-vagyon az EU országokhoz képest gyenge-közepes. A hazai széltérkép szerint a szélsebesség csak néhány, relatíve kis területen éri el a gazdaságos üzemeltetéshez szükséges minimális v = 5 ms-1 szélsebességet, és csak a Bakony északi, északnyugati vidékén (v = 6,8), a Kisalföldön (v = 6,5) és Törökszentmiklós környékén (v = 6) lépi túl ezen értékét. Jelenleg 6 szélerőmű üzemel az országban; ezenkívül 4-5 szélparkra (átlagosan 30 MWn) van építési engedély. 2020-ig a hazai szélerőművek névleges összteljesítménye 80 MWn körül várható; állami támogatással elérhetné a 300-600 MWn-t.
Bio(-massza)energia, mint megújuló (regeneratív) energia
Energetikai szempontból megújuló biomassza alatt a levegő szén-dioxid-tartalmából a napsugárzás hatására fotoszintézissel évenként termelődő növényi, szerves anyagot és ennek másodlagos termékeit (szerves hulladék, szemét, csatornaiszap és feldolgozási melléktermék) értjük. Mi a jelenleg is felhasználásra kerülő kitermelt faanyagot, a szeméttelepekről és csatornaiszapból származó biogázt és a bioüzemanyagok alapanyagaként szóba jövő agrártermékeket soroljuk ide. (A szakma ide sorolja az óceánok felső rétegeiben (pl. növényi plantonok formájában), a füves, a szavanna és tundra, valamint a mocsaras vidékeken keletkcenterező biomasszát is. A becslések szerint így számolva az éves biomassza produkció 72 x 109 tC, melynek 34%-a az óceánokban, 66%-a pedig a szárazföldön keletkezik.)
A nemzetközi megállapodások szerint a regeneratív biomassza mennyiségét a szárazanyag-tartalom széntartalmával (tC: tonna karbon) adjuk meg.
A gazdaságosan hozzáférhető biomassza, ill. az általa képviselt bioenergia-potenciál nagyságrendjét jelenleg és a következő évtizedekben energetikai célokra felhasználható biomassza számottevő részét kitevő erdei fakészlet éves folyónövedék-mennyisége (fűtőértéke) alapján becsülhetjük meg. (Megjegyzés: A mezőgazdasági melléktermékek a tűzifánál elvileg nagyobb potenciált jelentenek, de ezek kihasználhatósága a tapasztalat szerint egy ideig erősen kétséges.)
A világ erdőterülete 3869 Mha (1 ha = 104 m2, 100 ha = 1 km2), melyen a köbözhető famennyiséget az illetékes világszervezet, a FAO 386 Gm3-ben adja meg. Az ún. erdőszáraz fa sűrűsége fafajtánként 0,5-0,8 tm-3 között változik; 0,7 tm-3-el számolva a világ erdőszáraz fakészlete 0,7 x 386 x 109 = 2,7 x 1011 t. Ez világátlagban 70 t/ha faállományt jelent. A fejlettebb erdőgazdaságú területeken (éppen ott, ahol a korszerű energetikai hasznosítás terjed) ez az érték 100-130 t/ha között van.
Az erdők fenntartása miatt ezen faállománynak csak az éves növedékét hasznosíthatjuk (amely kb. 4%), és célszerűen ennek is csak a tűzifa-hányadát (kb. 40%). Tehát világátlagban a hektáronkénti energetikai célra felhasználható "tűzifa"10: 70 x 0,04 x 0,4 = 1,1 t/ha.
A világ tűzifa-kitermelésének fűtőérték potenciálja 2,7 x 1011 x 0,04 x 0,40 x 12,5 x 109 = 5,4 x 1019 J = 54 EJ, illetve hektáronként 1,4 x 1010 J. (A fa átlagos fűtőértéke 12,5 x 109 J/t.) (A direkt energetikai célokra - egyelőre kísérletileg - telepített energiaerdőkben 8-15 t/ha energetikailag hasznosítható famennyiség érhető el - igaz: az egész kitermelt famennyiséget energetikai célra felhasználva.)
Vizsgáljuk meg a biomassza-energetika lehetőségeit egy hazánkban megvalósult projekt adataival. Ez egy 30 MWe turbinateljesítményű, stacionér fluidágyas faapríték tüzelésű erőmű, ?e = 27%-os hatásfokkal. Az erőmű az adatok szerint évente 280 x 103 t faaprítékot használ fel 12,5 GJ/t fűtőértékkel. Ez 280 x 103 ?t? x 12,5 x 109 ?J/t? = 3,5 x 1015 J éves energiafelhasználást jelent, ami 27%-os hatásfokkal 3,5 • 1015 ?J? • 0,2731,54 • 106 ?s? = 30 MWe névleges teljesítményt jelent. 1,1 t/ha x év tűzifa-kihasználással a 280 x 103 t/év tűzifa 280 • 103 t1,1 t/ha = 255 000 ha erdőterület-hátteret jelent.
A hazai erdőterület 1803,9 x 103 ha. Beláthatjuk, hogy a hazai teljes erdőterület kb. 215 MWe névleges elektromos erőmű-teljesítménynek (tehát a hazai kapacitás töredékének) jelentene hátteret.
Az erdőgazdaságokat a nyomott és bizonytalan fa-felvevő piac (pl. hazánkban ez a szinte monopolhelyzetű falemez ipar hatása) kényszerítette az energiaipari faeladásra; ennek árai a bioáram 2010-ig relatív kedvező áron való kötelező átvétele miatt az erdőgazdaságoknak túlélést jelenthetnek.
Geotermikus energia
A 20-30 km mély földkéregben a hőtermelő radioaktív bomlás és kémiai reakciók folyamatosan (a számítások szerint még sok millió éven át) jelentős hőt termelnek. A megtermelt hőt a kőzetek hővezető képessége eljuttatja a föld alatti víztározókhoz, felmelegíti a földalatti kőzeteket, onnan természetes melegvíz- (vagy gőz: gejzírek) feltörés útján, szivattyúrendszerekkel kinyerve már ma is jelentős geotermikus energiát (hőt) nyerünk; ennek értéke világviszonylatban 190 699 TJ/év ? 0,2 EJ/év - általában 50-120 °C, ritka esetben 180 °C hőmérsékleten. Ezen a hőmérsékleten a hőhordozók nem (vagy csak speciális megoldásokkal) alkalmasak gőzturbinák üzemeltetésére. Ennek következménye, hogy a geotermikus alapon történő áramtermelés 2000-ben csak 7974 MWe teljesítménynek felelt meg (A megfelelő geotermikus áramfogyasztás mintegy 70 TWh (szemben a 2000-es világfogyasztás 15 379 TWh értékével, tehát pár ezrelék); hazánkban ez az érték jelenleg nulla, és a következő 20 évben legfeljebb egy-két kísérleti egység üzembe helyezésére számíthatunk.
A geotermikus áramtermelés drága mulatság; az e célra alkalmas technológiát már kipróbálták: ez az ún. HDR (hot-dry-rock) eljárás. A 3000-5000 m mélységben 250 °C körüli kőzetekbe nagy nyomáson vizet préselnek, és a termelt 200 °C körüli gőzt külön termelő csöveken át a felszíni turbinákba vezetik.
Mint látjuk, a geotermikus áramtermelés a jövő zenéje, de a hőtermelés és gyógyvizek nyerése már ma is igen fontos iparág. A termálvizek terén hazánk relatív nagyhatalom.
A Magyar Geodéziai Szolgálat a 3000 m mélységig tárolt, 30 °C-nál melegebb hévízkészletet 2500 km3-re becsüli (1999), ebből 500 km3 kis sótartalmú. Ezek legnagyobb része kis és közepes entalpiájú (?40 °C hőmérsékletű). Jelentős a nagy entalpiájú víz-, ill. gőzkészlet (110-200 °C) is. Ezek a Somogy-Borsod-Abony tengelyben, ill. az ország délkeleti körzeteiben (Hódmezővásárhely, Szeged) helyezkednek el, és elvileg hőerőművi, ill. a 200 °C közeli hőmérsékletűek villamosenergia-termelésre is alkalmasak.
A 2500 km3 = 2500 x 109 x 103 = 2,5 x 1015 kg termálvíz mintegy 6 x 1020 J hőtartalmú (10 °C felszíni hőmérséklettel számolva, a kihasználható ?T 57 °C); ez óriási mennyiség, de a termálvíz nem (szokták mondani: csak részben) megújuló energiaforrás, kiaknázása csak korlátozott mértékben végezhető. Ha ugyanis ezt a termálvíz-kincset rablógazdálkodással teljesen kitermelnénk, a 6 x 1020 J hőmennyiség a kőzetek véges hővezető képessége miatt csak 20 000 év alatt pótlódna. Így a folyamatosan kitermelhető hőmennyiség 6 x 1020/2 x 104 = 3 x 1016 J/év, ami 1,25 x 1011 kg/év, 125 x 106 m3/év 67 °C átlaghőmérsékletű stacionéren kitermelhető termálvizet jelent. Jelenleg Magyarországon kb. ennek egytizedét (4 x 1015 J/év) termeljük ki, ami az 1,91 x 1017 J/év világtermelés 2%-a.
Problémafölvetés
Mivel az évi 2,5-3%-kal növekvő elektromosenergia-igények kielégítése belátható időn belül nem (illetve pl. 2050-re a leggazdagabb, kedvező feltételekkel rendelkező országokban csak 25-30%-ban, hazánkban csak 8-10%-ban) biztosítható megújuló energiákból, a század második felében megvalósíthatónak tűnik (!) egy alternatív lehetőség, a hidrogén-technológia, tudomásul véve, hogy az ún. tiszta hidrogéntechnológia sem ad univerzális megoldást. Figyelembe kell azonban vennünk, hogy a megújuló energiák termelés nem stacioner, csúcsok és völgyek váltakoznak, a megújuló energiatermelés technikai és gazdasági háttere tehát eleve megkívánja a megtermelt áramenergia tárolását: ennek egyik fő jelöltje a hidrogéntermelés, -tárolás és a völgyek esetén ennek újrahasznosítása.
Prof. Dr. Giber János és Dr. Réti Ferenc
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Atomfizika Tanszék
(2004-ben azonos címmel könyv jelenik meg a B+V kiadónál, az itt megjelent cikk a könyv alapján íródott.)
